In diezelfde tijd ontmoet de jonge Darwin aan de Universiteit van Cambridge de arts en bioloog Robert Edmond Grant. Grant hangt ideeën aan over de evolutie van soorten, in tegenstelling tot zijn tijdgenoten die de leer van de kerk volgen. Zij denken dat het leven op aarde door God is geschapen. Dat gelooft Darwin zelf ook lange tijd.

Darwin studeert af als priester aan de Universiteit van Cambridge. Toch wacht hij met een leven in dienst van de Anglicaanse Kerk. In plaats daarvan gaat hij mee op ontdekkingsreis met het zeilschip HMS Beagle.

Darwin is nog maar 22 jaar oud als hij in 1831 aan boord gaat van de HMS Beagle voor een reis van vijf jaar. Het schip zeilt langs de hele Zuid-Amerikaanse oostkust, onderlangs de punt van Vuurland en verder langs de westkust: Chili, Peru en de Galapagoseilanden. Daarna zeilt de Beagle naar Azië, Australië, en langs de kust van Afrika terug naar Engeland.

Regelmatig legt het schip aan voor onderzoek aan land. Darwin gaat mee als gezelschapsheer voor de kapitein - om tijdens de lange reis zo nu en dan een interessant gesprek te kunnen voeren. Daarnaast is Darwin actief als geoloog. Hij moet de bodemsamenstelling beschrijven van de landen die het schip aandoet. De wetenschapper vult kratten vol stenen, aarde en ander materiaal om thuis te bestuderen. Hij verzamelt planten, dieren, en ontelbare fossielen en botten. Alle vondsten stuurt hij naar Engeland. De jonge wetenschapper verzamelt alles wat hij tegenkomt. Op de Galapagos-eilanden voor de kust van Zuid-Amerika vangt Darwin verschillende soorten vinken. Die vogels leggen de basis voor zijn evolutietheorie.

Terug in Londen ontdekt Charles Darwin dat de vinken van de Galapagos-eilanden er verschillend uitzien. Het verschil zit in de snavel van de vogels. Vinken op het ene eiland eten insecten en hebben een spitse snavel. Vinken op het andere eiland eten vooral noten en hebben daardoor een botte snavel. Door de verschillende omstandigheden hebben ze zich anders ontwikkeld. Toch hebben de vogels dezelfde soort vink als voorouder. Zo komt Darwin op het idee dat de ene soort uit de andere voortkomt.

Twee fundamentele fenomenen spelen hierbij een rol: genetische variatie en natuurlijke selectie. Vinken die het beste zijn aangepast aan de omstandigheden, hebben de meeste kans te overleven. Deze best aangepaste individuen geven hun eigenschappen door aan hun nakomelingen. Die twee fenomenen samen zorgen voor voortdurende veranderingen bij een soort. Dit noemen we evolutie door natuurlijke selectie.

De enorme hoeveelheid onderzoeksmateriaal die Darwin tijdens zijn reis verzamelt, leidt tot twee baanbrekende boeken: het reisverslag The Voyage of the Beagle en On the Origin of Species. In dit laatste boek beschrijft hij zijn evolutietheorie en de rol van natuurlijke selectie. Maar het duurt twintig jaar voordat Darwin zijn boek durft te publiceren. Hij concludeert namelijk dat het scheppingsverhaal zoals het in de Bijbel staat niet kan kloppen.

Uiteindelijk verschijnt zijn inmiddels wereldberoemde werk op 24 november 1859. In het Nederlands verschijnt het onder de titel De oorsprong der soorten (1890). De theorie is onmiddellijk invloedrijk, en geldt tot op de dag van vandaag als een van de belangrijkste wetenschappelijke theorieën ooit.